一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法。本方案提出将水声系统可用带宽按照当前扩频周期序号的奇偶性进行不同子带数量的多带划分，以达到交叉子带划分的目的。在此基础上，将划分的多个子带两两分组，每个分组采用子带选择激活的方式根据传输数据的不同进行子带的选择，实现多带并行传输。同时，每个扩频周期内，被激活子带分别采用升、降双曲调频信号对调制后的信号进行调频。相对于其他水声双曲扩频调频方案，本发明专利技术采用交叉子带划分的方案，提高了对信道最大时延的容忍度；利用升、降双曲调频信号的弱相关性，承载传输不同的信息；采取基于QPSK调制的多带并行传输方案，进一步提高了系统的频带利用率与传输速率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法
本专利技术涉及水声通信领域，具体涉及一种双曲调频信号，结合交叉子带与升降HFM信号的扩频通信方法。
技术介绍
由于海洋环境的复杂性，水声信道存在严重的多径效应和时变特性。而海水介质对高频衰减非常严重，导致水声通信可用带宽非常小。水声通信经历了从非相干技术到相干技术的发展，相较于非相干技术而言，相干技术的频谱利用率高，可以大大提高通信系统的效率。然而严重的多径效应与时变性，是水声相干通信主要的制约因素，与此同时在信噪比较低的环境下，较难确保通信的可靠性。扩展频谱(spreadspectrum，SS)技术是一种能有效对抗干扰的技术，它以其自身的优势，在低信噪比以及存在多径扩展的复杂信道情况下，仍可以在保证一定通信速率的前提下，实现可靠信息的传输。常见的扩频方式主要有三种，分别是直接序列扩频(DSSS)，跳频扩频(FHSS)以及调频扩频(CSS)等。本专利技术中选取双曲调频信号作为扩频信号。双曲调频作为一种适用于水声通信的扩频通信方式，具备其独特的优势。为了便于对后续算法的理解，双曲调频信号模型如下所示：双曲调频(HFM)信号，可以定义为其中，fb表示HFM信号起始点的频率，fe表示HFM信号截止点的频率，B＝|fe-fb|表示带宽(调频区间)，T表示HFM信号持续周期，表示调频率。特别地，若fe＞fb，则称为升频，此时调频率β＜0；若fe＜fb，则称为降频，此时调频率β＞0。HFM信号的瞬时频率为，瞬时频率是一个随时间t变化的双曲函数，因此该信号被称为双曲调频信号。双曲调频信号具有良好的脉冲压缩性和多普勒宽容性。其脉冲压缩性体现在，在接收信号与本地HFM信号进行相关后能够呈现主瓣尖锐、旁瓣迅速衰弱的脉冲，因此具备良好的抗噪性能。与此同时，在信号传输过程中，由于收发端的高速相对运动会造成严重的多普勒尺度效应，信号会产生时间上的压缩或者扩展。在信号经历了多普勒尺度效应之后，接收端经过匹配滤波依旧可以较好的形成脉冲，则认为该信号具有多普勒宽容性。假设一个HFM信号发生了大小为α的尺度变换。对应接收到的HFM信号可以表达为发生尺度变化后，信号的瞬时频率变为这里我们可以找到一个合适的Δt，使得fα(t-Δt)＝f(t)，即由此可见，该时延Δt是一个由尺度因子决定且与时间无关的常数，即HFM信号在经历了多普勒效应之后，其瞬时频率相较于未发生尺度变化之前，只是在时间轴上发生了一个平移，这样在接收端进行匹配滤波后，依旧可以形成较好的脉冲，只是脉冲的位置会平移Δt，因此HFM信号具备多普勒宽容性。此外，对于多序列扩频通信而言，各序列之间的正交性十分重要。同时序列的持续时间长度必须要超过信道的最大时延，以尽可能的保证其接收信号序列的正交性。使用HFM进行扩频通信虽然能增强抗干扰能力和抗多普勒效应，但是面临的一个较为严重的问题就是频带利用率比较低。另外，若信道的最大时延超过扩频周期，接收信号序列的正交性将会受到影响，为了能一定程度缓解以上两种情况，提高HFM扩频通信的频带利用率以及对信道最大时延的容忍度是值得研究的问题。本专利技术所述的一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，正是基于如上所述的信号模型和背景所提出的。
技术实现思路
对一般的HFM扩频通信方法而言，系统可用带宽只用于单个HFM调频信号，因此系统的频带利用率很低。此外，一般的水声扩频通信方案，通常是基于单个扩频周期超过信道时延这样的原则进行方案设计。但当信道最大时延超过扩频周期时，接收端序列的正交性会受到一定的影响，增加相邻符号之间的干扰。为此，本专利技术提出一种新的扩频通信方案，即一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法。本专利技术的目的在于基于HFM信号提出一种新的扩频通信方案，通过将水声通信系统可用带宽按照扩频周期序号的奇偶性进行不同数量的子带划分，以此降低相邻符号之间的干扰，提升通信信号对信道时延的容忍度。另外，采用子带选择激活的方式，以及QPSK调制方式，实现多带并行传输，提升频带利用率。同时在一个调频周期内，被激活子带分别采用升、降HFM信号作为调频信号，对调制后的QPSK符号进行扩频。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下。一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，包括以下步骤：S1、将通信系统带宽按照扩频周期序号的奇偶性划分为不同数量的若干子带；S2、子带分别采用对应的升、降双曲调频信号进行调频；S3、将数据、子带进行分组，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频；S4、对扩频后的传输信号添加帧头与保护间隔，生成信号帧。进一步地，在所述步骤S1中，扩频周期序号为奇数的扩频周期将系统使用带宽分为K1个子带，扩频周期序号为偶数的扩频周期将所用带宽分为K2个子带，后续分别进行双曲调频，提高频带利用率。进一步地，在所述步骤S2中，每个扩频周期内，每个子带分别使用升、降HFM信号生成两种弱相关的扩频信号，进行双曲调频。进一步地，每个子带对应的升HFM信号表示为其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为同理，每个子带对应的降HFM信号可表示为：其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为进一步地，在所述步骤S3中，将数据、子带进行分组，分组具体为：待传比特每3个比特分成一组，对于第奇数个扩频周期，将K1个子带每两相邻子带分成一组，一共有K1/2个组，每组承载前述的3比特分组；对于第偶数个扩频周期，将K2个子带每两相邻子带分成一组，一共有K2/2个组，每组承载前述的3比特分组，本次方案中分组的结果为，每组2个子带传输3个比特。进一步地，在所述步骤S3中，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频，具体为：每个子带组传输3个比特，第1个比特用于子带的选择：该比特为0时，选择该子带组的第1个子带进行扩频传输，当该比特为1时选择该子带组的第2个子带进行扩频传输，第2、3个比特则用于QPSK符号映射，由第1个比特激活的子带进行相应的扩频传输。进一步地，在所述步骤S4中，帧头采用占用整个通信频段的升、降HFM信号与零间隔，保护间隔采用占用整个通信频段的降HFM信号与零符号作间隔。与现有技术相比，本专利技术实现的有益效果是：采用交叉子带划分的方案，提高了对信道最大时延的容忍度；利用升、降双曲调频信号的弱相关性，承载传输不同的信息；采取基于QPSK调制的多带并行传输方案，进一步提高了系统的频带利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，包括以下步骤：/nS1、将通信系统带宽按照扩频周期序号的奇偶性划分为不同数量的若干子带；/nS2、子带分别采用对应的升、降双曲调频信号进行调频；/nS3、将数据、子带进行分组，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频；/nS4、对扩频后的传输信号添加帧头与保护间隔，生成信号帧。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，包括以下步骤：
S1、将通信系统带宽按照扩频周期序号的奇偶性划分为不同数量的若干子带；
S2、子带分别采用对应的升、降双曲调频信号进行调频；
S3、将数据、子带进行分组，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频；
S4、对扩频后的传输信号添加帧头与保护间隔，生成信号帧。


2.根据权利要求1所述的一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，其特征在于：在所述步骤S1中，扩频周期序号为奇数的扩频周期将系统使用带宽分为K1个子带，扩频周期序号为偶数的扩频周期将所用带宽分为K2个子带，后续分别进行双曲调频。


3.根据权利要求1所述的一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，其特征在于：在所述步骤S2中，每个扩频周期内，每个子带分别使用升、降HFM信号生成两种弱相关的扩频信号，进行双曲调频。


4.根据权利要求3所述的一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，其特征在于：每个子带对应的升HFM信号表示为



其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为



当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为



当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为



同理，每个子带对应的降HFM信号可表示为：



其中，p为扩频周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：余华，张雅琦，季飞，陈芳炯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44